Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật môi trường: Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác theo hướng thu hồi nitơ và tiết kiệm năng lượng

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

60
lượt xem 13
download

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật môi trường: Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác theo hướng thu hồi nitơ và tiết kiệm năng lượng

Mô tả tài liệu

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Các nghiên cứu của luận án nhằm thực hiện các mục tiêu chính: Xác định điều kiện tối ưu cho quá trình tách nitơ, phốt pho trong nước rác dưới dạng kết tinh MAP; xử lý nước rác bằng công nghệ sinh học (yếm - thiếu khí - bãi lọc trồng cây) chi phí thấp.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật môi trường: Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác theo hướng thu hồi nitơ và tiết kiệm năng lượng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM HƯƠNG QUỲNH PHẠM HƯƠNG QUỲNH NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC THEO HƯỚNG THU HỒI NITƠ VÀ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường Mã số: 62520320 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Hà Nội - 2016
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học 1. PGS.TS Nguyễn Thị Sơn 2. PGS.TS Nguyễn Ngọc Lân 1. PGS.TS Nguyễn Thị Sơn 2. PGS.TS Nguyễn Ngọc Lân Phản biện 1: PGS.TS Lều Thọ Bách Phản biện 2: PGS.TS Cao Thế Hà Phản biện 3: PGS.TS Dương Văn Hợp Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ……… Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN [1]. Phạm Hương Quỳnh, Nguyễn Thị Sơn., (2013), Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng tới quá trình tách nitơ, phốt pho trong môi trường nước. Tạp chí khoa học và Công nghệ các trường Đại học Kỹ thuật, No 97, pp 128-132. [2]. Pham Huong Quynh, Nguyen Thi Son., (2014), A study on nitrogen and phosphorus treatment process for pig livestock wastewater to meet national discharge standards., Journal of Science & Technology, Technical universities, No 103, pp 104-108. [3]. Phạm Hương Quỳnh, Nguyễn Thị Sơn., (2015), Nghiên cứu tách nitơ, phốt pho trong nước rích rác bằng kết tinh MAP. Tạp chí khoa học và Công nghệ các trường Đại học Kỹ thuật, No 104, pp 108-111. [4] Pham Huong Quynh, Nguyen Thi Son. (2015), The comparision of sewage treating expense by MAP isolating method and casual method, Journal of Thai Nguyen Science and Technology Vol 126, No 12, pp 107-111
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong những năm qua nền kinh tế nước ta đã có những bước phát triển mạnh mẽ. Việt Nam được đánh giá là quốc gia có tốc độ tăng trưởng nhanh, dự kiến đạt 7-8% trong thập kỷ này. Cùng với sự phát triển kinh tế, đời sống người dân cũng được nâng cao, nhu cầu tiêu dùng tăng nhanh là sự thách thức mới về ô nhiễm môi trường đặc biệt là sự gia tăng đột biến chất thải ở các đô thị. Chôn lấp rác thải là phương pháp phổ biến ở hầu hết các quốc gia trên thế giới. Ở nước ta việc chôn lấp rác thải sinh hoạt và đô thị đã, đang và sẽ còn được áp dụng ở hầu hết các địa phương trong cả nước. Công nghệ xử lý sinh học được hướng tới nhằm giảm chi phí xử lý. Tuy nhiên trong nước rác có chứa hàm lượng amoni lớn gây kìm hãm quá trình xử lý sinh học. Gần đây một số bãi rác sử dụng công nghệ Stripping - loại nitơ bằng đuổi khí NH3 do thổi khí ở áp lực cao trong môi trường kiềm mạnh (pH>10) hoặc khuấy trộn ở tốc độ cao hoặc phương pháp hoá học để loại amoni trong nước rác. Tuy nhiên các hợp chất tạo thành như: NH2Cl, NHCl2 hay NCl3 là những chất có tính oxy hoá mạnh nên phương pháp này không thể áp dụng trước xử lý sinh học. Các phương pháp xử lý này đều có chi phí cao và gây ô nhiễm thứ cấp. Kết tinh MAP (struvite) được nghiên cứu nhằm loại bỏ amoni đã được nhiều tác giả trên thế giới nghiên cứu áp dụng trong xử lý nước thải chăn nuôi và đã thu được một số thành công nhất định. Struvite có tích số tan 7,8.10-15 ở nhiệt độ 250C nên được sử dụng dưới dạng phân bón nhả chậm rất hiệu quả cho cây trồng. Vì vậy nghiên cứu này được thực hiện nhằm thu hồi nitơ, phốt pho trong nước rác. Ngoài tận thu nguồn dinh dưỡng có ích cho cây trồng còn góp phần loại được yếu tố ức chế quá trình xử lý sinh học và đơn giản hoá, nâng cao hiệu quả của công nghệ xử lý. 2. Mục tiêu của luận án Các nghiên cứu của luận án nhằm thực hiện các mục tiêu chính: - Xác định điều kiện tối ưu cho quá trình tách nitơ, phốt pho trong nước rác dưới dạng kết tinh MAP. - Xử lý nước rác bằng công nghệ sinh học ( yếm - thiếu khí - bãi lọc trồng cây) chi phí thấp. 3. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng tới quá trình tách nitơ, phốt pho tạo MAP và tách nitơ, phốt pho trong nước rác. 1
- Nghiên cứu xử lý sinh học nước rác sau tách MAP bằng công nghệ sinh học đơn giản tiêu tốn ít năng lượng theo 2 công đoạn: + Xử lý yếm khí - thiếu khí tiêu tốn ít năng lượng + Xử lý nước rác đến đạt tiêu chuẩn thải bằng bãi lọc trồng cây. - Đề xuất công nghệ xử lý nước rác cho bãi chôn lấp quy mô vừa và nhỏ (bãi chôn lấp Đá Mài - Thành Phố Thái Nguyên) 4. Đối tượng nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Nước rác tươi bãi chôn lấp Đá Mài, Thành phố Thái Nguyên. - Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm. 5. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan, hồi cứu tài liệu: Thu thập các tài liệu đã công bố trên thế giới và trong nước về kết tinh MAP. - Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm theo các công nghệ khác nhau: + Xử lý nitơ, phốt pho trong nước rác bằng tạo kết tinh MAP. + Xử lý nước rác sau tách MAP bằng công nghệ liên hợp yếm - thiếu khí. + Xử lý tiếp tục đến đạt tiêu chuẩn thải bằng bãi lọc trồng cây. - Dùng phương pháp thống kê toán học xử lý số liệu thực nghiệm. - Phương pháp phân tích: sử dụng các phương pháp phân tích theo TCVN. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Đưa ra một công nghệ xử lý nước rác với nhu cần năng lượng thấp và vận hành đơn giản. - Xác định được các thông số tối ưu cho quá trình tách MAP, tận thu được nguồn nitơ, phốt pho trong nước rác dưới dạng phân bón nhả chậm dùng trong nông nghiệp đồng thời hạn chế ô nhiễm môi trường không khí do đuổi NH3. - Công nghệ áp dụng không sử dụng các hóa chất gây ô nhiễm môi trường. - Áp dụng công nghệ xử lý cho bãi chôn lấp Đá Mài - Thành Phố Thái Nguyên và các bãi chôn lấp quy mô nhỏ. 7. Những kết quả khoa học đạt được và đóng góp mới của luận án - Hoàn thiện công nghệ xử lý nước rác để áp dụng vào thực tế với chi phí năng lượng thấp, vận hành đơn giản. - Kết tinh MAP giúp thu hồi nitơ, phốt pho trong nước rác, giảm tác nhân ức chế cho quá trình xử lý sinh học. 2
Chương 1. TỔNG QUAN 1.1 Đặc trưng của nước rác Hàm lượng các chất ô nhiễm trong nước rác mới (tươi) cao hơn rất nhiều so với nước rác đã chôn lấp lâu năm. Tỷ lệ BOD5/COD trong khoảng 0,4-0,6 đối với nước rác tươi; 0,005-0,2 đối với nước rác cũ, ở thời điểm này thành phần hữu cơ trong nước rác chủ yếu là axit humic và axit fulvic, đây là những chất hữu cơ khó phân hủy sinh học . Ngoài ra nước rác của một số bãi chôn lấp ở Việt Nam còn có thêm đặc điểm do nằm trong khu vực khí hậu nhiệt đới gió mùa (nóng ẩm mưa nhiều) khí hậu Việt Nam chia hai mùa rõ rệt: mùa mưa và mùa khô. Vì vậy nước rác ở các bãi chôn lấp biến động lớn về thành phần và khối lượng theo các thời điểm trong năm. Thêm vào đó, do rác chôn lấp hầu như chưa được phân loại tại nguồn nên thành phần khá phức tạp, hàm lượng ô nhiễm hữu cơ cao đến rất cao, đặc biệt đối với nước rác tươi. Nhìn chung, nước rác ở nước ta có nồng độ ô nhiễm cao và thành phần phức tạp. Vì vậy, việc lựa chọn công nghệ xử lý phù hợp cho mỗi bãi chôn lấp gặp rất nhiều khó khăn. 1.2 Tình hình nghiên cứu xử lý nước rác 1.2.1 Một số công nghệ xử lý nước rác trên thế giới Rác sinh hoạt ở các nước phát triển được phân loại nghiêm ngặt tại nguồn nên nước rác có thành phần ô nhiễm không lớn và ít biến động. Nước rác ít thành phần độc hại gây kìm hãm sự phát triển của vi sinh vật nên công nghệ sinh học được áp dụng phổ biến trong xử lý nước rác. 1.2.2 Công nghệ xử lý nước rác ở Việt Nam - Tuần hoàn nước rác và phân hủy vi sinh trong môi trường sunphat được Tô Thị Hải Yến và đồng nghiệp nghiên cứu nhằm tạo điều kiện phân hủy thành phần hữu cơ ở thể rắn chuyển sang dạng hòa tan, tạo khả năng oxy hóa khử mạnh hơn cho xử lý sinh học tiếp theo. - Công nghệ SBR cải tiến và oxy hóa bằng fenton do tác giả Nguyễn Hồng Khánh và cộng sự nghiên cứu. Công nghệ này phải điều chỉnh pH về 2 - 4 và có thể dùng ion Fe2+ dạng hòa tan. Quy trình cơ bản của phản ứng Fenton là bổ sung Fe2+ và H2O2 vào dung dịch cần xử lý. Cơ chế của phản ứng này bao gồm nhiều bước trong đó sự biến đổi giữa trạng thái oxy hóa 2+ và 3+ của ion sắt. - Công nghệ keo tụ - tạo phức - fentol - Perozon do tác giả Trần Mạnh Trí nghiên cứu và áp dụng tại bãi chôn lấp Gò Cát để xử lý nước rác sau UASB với COD = 5.424mg/l, Hiệu quả xử lý COD đạt 97%. Công nghệ này chỉ xử lý được COD và độ màu nhưng chưa xử lý được nitơ trong nước rác. 3
- Công nghệ UV/fenton được Trương Quý Tùng và cộng sự nghiên cứu xử lý nước rác tại bãi Thủy Tiên – Huế. Công nghệ sử dụng đèn UV và H2O2 ở pH ~3 đã loại được 71% COD và 90% độ màu sau 2 giờ. Nước sau xử lý có tỷ lệ BOD5/COD tăng từ 0,15 lên 0,46. - Công nghệ fenton 3 bậc được tác giả Nguyễn Văn Phước và cộng sự nghiên cứu. Với COD dòng vào 665mg/l cần bổ sung 750 mg/l H2O2 và 3.750 mg/l phèn sắt. Thời gian phản ứng 7 phút, hiệu quả xử lý COD đạt 87,5%. - Công nghệ Ozone đơn và Perozon được tác giả Hoàng Ngọc Minh nghiên cứu xử lý nước rác tươi bãi chôn lấp Nam Sơn - Sóc Sơn (Hà Nội). Sau 120 phút hiệu quả xử lý đạt 11-15% COD và 78-87% độ màu; nước rác cũ (trơ) xử lý được 36% độ màu và 9% COD. Tác giả cũng cho biết quá trình catazon với xúc tác Al2(SO4)3 cho hiệu quả cao hơn Perozon 1,27-1,31 lần và xúc tác FeSO4 cao hơn Perozon 1,47-1,68 lần. Nhìn chung các công nghệ xử lý nước rác ở Việt Nam chủ yếu là công nghệ kết hợp, tuy nhiên hiệu quả xử lý chưa cao do chưa loại bỏ được yếu tố kìm hãm. Các phương pháp này còn gặp phải một số hạn chế do gây ô nhiễm thứ cấp, xử lý không triệt để và đặc biệt là: giá thành cao, tiêu tốn nhiều năng lượng. 1.3. Tổng quan nghiên cứu về MAP Quá trình tách MAP đã được nghiên cứu trên một số loại nước thải khác nhau nhằm tận thu nguồn nitơ phốt pho. Kết quả nghiên cứu khẳng định hiệu quả của quá trình xử lý sơ bộ bằng tách MAP là khá cao. Kurt. N. O và cộng sự đã nghiên cứu xử lý amoni trong nước thải đô thị bằng kết tinh MAP, nhờ vậy có thể tránh gây tắc nghẽn đường ống do tinh thể MAP tạo thành. Kochany. J đã tiến hành nghiên cứu so sánh phương pháp tạo MAP với phương pháp fenton trong xử lý sơ bộ trước khi xử lý yếm khí. Kết quả tiền xử lý bằng kết tinh MAP loại bỏ 56% amoni và 30% COD, trong khi phương pháp fenton có khả năng loại bỏ tới 60% COD nhưng hầu như không loại được amoni, yếu tố kìm hãm và hạn chế đáng kể quá trình xử lý sinh học yếm khí. Cũng theo tác giả này chi phí đầu tư cho kết tinh MAP trước xử lý sinh học là lựa chọn cho hiệu quả kinh tế cao hơn rõ rệt. Nathan. O và cộng sự (2003) nghiên cứu tách nitơ, phốt pho trong nước thải chăn nuôi lợn cho thấy ở tỷ lệ 1:1,6:1, PO43- giảm 91% - 96%, amoni loại được 46,3%. Cũng với nước thải chăn nuôi Yong Huy Song và cộng sự (2014) đã nghiên cứu: kết quả cho thấy hiệu quả loại bỏ phốt pho đạt 90-94% ở pH = 9-10,5. Khả năng tách MAP đã được khẳng định là hiệu quả trong nhiều nghiên cứu với nước thải chăn nuôi. Nước rác là một đối tượng giầu nitơ và phốt pho, tuy nhiên chưa có nhiều nghiên cứu trên đối tượng này do thành phần ô nhiễm rất phức tạp. 4
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là nước rác tươi bãi chôn lấp Đá Mài - Thành phố Thái Nguyên. Đặc trưng nước rác tươi được khảo sát từ ngày 23/5/2011 đến 17/10/2014 được thể hiện trong Bảng 2.1. Bảng 2.1 Đặc trưng nước rác bãi chôn lấp Đá Mài QCVN 25: 2009/BTNMT TT Tên chỉ tiêu Đơn vị Kết quả (cột B2) 1 pH - 6,2÷7,3 5,5÷9 2 BOD5 mg/l 1.275÷5.190 100 3 COD mg/l 2.811÷9.758 400 4 Tổng N mg/l 242,1÷577,5 60 + 5 NH4 mg/l 214,4÷402,1 25 6 Tổng P mg/l 40,7÷52,3 6 3- 7 PO4 mg/l 35,7÷41,4 - 8 SS mg/l 832-1135 100 9 Độ màu Pt/Co 4895-8550 150 10 Độ kiềm mg/l 335÷788 - 2+ 11 Ca mg/l 277-392 - 12 Cu mg/l 0,03÷0,06 2 13 Fe mg/l 1,1÷1,6 5 14 Mn mg/l 0,2÷0,4 1 15 Mg mg/l 13,4-28,7 - 16 Ni mg/l 0,03 ÷0,13 0,5 17 Pb mg/l 0,02÷0,03 0,5 18 Coliform MPN/100ml 4,5.103÷ 10.103 5000 Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu xử lý N, P bằng kết tinh MAP ở quy mô phòng thí nghiệm - Nghiên cứu xử lý sinh học nước rác sau tách MAP bằng công nghệ yếm thiếu khí, bãi lọc trồng cây ở quy mô phòng thí nghiệm. 5
2.2 Phân tích lựa chọn phương pháp xử lý nước rác với công nghệ đơn giản, tiêu tốn ít năng lượng và chi phí thấp Trên cơ sở lý thuyết đã trình bày ở phần trên, căn cứ vào mục tiêu, yêu cầu, nội dung nghiên cứu, tài liệu tham khảo cũng như các yêu cầu thực tế đặt ra, phương pháp xử lý được lựa chọn là xử lý hóa học - sinh học theo các bước sau: Bước 1: Xử lý sơ bộ - tách nitơ bằng phương pháp hóa học (kết tinh tạo MAP). Bước 2: Xử lý sinh học bằng thiết bị tích hợp yếm - thiếu khí kết hợp bãi lọc trồng cây. 2.3 Thiết bị và vật liệu nghiên cứu 2.3.1 Thiết bị nghiên cứu tách MAP 2.3.1.1 Mô tả kết cấu và nguyên lý hoạt động Thiết bị gồm: - 1 bình phản ứng hình trụ có d = 150 mm; H = 500 mm; Vpư =6 lít. - 3 bình chứa: NaOH (để điều chỉnh pH); dung dịch MgCl2 và dung dịch PO43-. - 1 bộ điều chỉnh pH tự đồng. - 1 bơm định lượng. - 1 bộ cánh khuấy có điều chỉnh được vận tốc. Hình 2.1 (a) Sơ đồ thiết bị tách MAP - Nguyên lý hoạt động Hỗn hợp Mg2+, NH4+, PO43- được điều chỉnh theo tỷ lệ nghiên cứu được đưa vào bình phản ứng. Hỗn hợp dung dịch được điều chỉnh pH bằng dung dịch NaOH bởi thiết bị đo và điều chỉnh pH tự động. Ở đây tốc độ cánh khuấy được điều chỉnh với vận tốc nhất định nhằm tạo độ đồng nhất, nâng cao hiệu quả của quá trình phản ứng tạo MAP. Sau thời gian phản ứng tinh thể MAP tạo thành được để lắng và lấy ra từ đáy thiết bị. 6
2.3.2 Thiết bị tích hợp yếm khí, thiếu khí 2.3.2.1 Kết cấu và nguyên lý hoạt động của thiết bị tích hợp yếm khí - thiếu khí - Kết cấu của thiết bị tích hợp yếm khí – lọc thiếu khí Thiết bị xử lý liên hợp: yếm khí - lọc thiếu khí là thiết bị hợp khối được chế tạo bằng thuỷ tinh hữu cơ gồm 2 modul. Modul 1: Khoang xử lý yếm khí (dạng UASB) dung tích hoạt động 110 lít, bao gồm hệ thống phân phối nước, thiết bị gia nhiệt và chụp thu biogas. Modul 2: Khoang lọc thiếu khí được thiết kế gồm 5 ngăn, tổng dung tích chứa 63,25 lít. Mỗi khoang lọc được thiết kế gồm 2 phần: khe chảy tràn và lớp vật liệu lọc đã được hoạt hóa (chiếm 30% dung tích) Hình 2.2(a) và 2.2(b) . 1. Bể UASB 7. Ống thoát nước sau xử lý 2. Ống cấp nước vào 8. Ống thu biogas 3. Kết cấu phân phối nước 9. Dẫn cảm biến nhiệt 4. Nắp UASB 10. Van xả bùn 5. Ngăn Anoxic (5 ngăn) 11. Chụp thu biogas 6. Giá thể sinh học Hình 2.2(a) Sơ đồ thiết bị xử lý tích hợp yếm khí - thiếu khí - Nguyên lý hoạt động Nước được bơm vào bể phản ứng bằng bơm định lượng với vận tốc 2,0; 2,3; 2,6 lít/giờ (theo từng nghiên cứu). Dòng vào qua kết cấu phân phối lỏng (3). Nước rác sau xử lý yếm khí được lưu vào bình chứa hoặc tự chảy sang thiết bị thiếu khí (nếu xử lý liên tục) qua kết cấu chảy tràn (h=5mm). Nước được đưa xuống đáy ngăn lọc theo nguyên tắc chảy ngược qua lớp vật liệu lọc được cố định màng vi sinh vật. Quá trình lọc thiếu khí được thực hiện liên tục từ ngăn 1 đến ngăn 5. Cuối cùng nước sau xử lý được đưa ra ngoài qua ống thoát (7). 7
2.3.3 Thiết bị mô phỏng bãi lọc trồng cây 2.3.3.1 Kết cấu thiết bị Thiết bị mô phỏng bãi lọc trồng cây được lắp ráp bằng kính chịu lực. + Kích thước thiết bị: 1.200 x 500 x 700mm. + Tổng dung tích 420 lít + Dung tích hoạt động 300 lít - Vật liệu lọc là sỏi cuội và đá dăm có độ dày 550mm, gồm 3 lớp (hình 2.6) + Lớp dưới cùng H = 300 mm là sỏi cuội  = 30÷40mm, độ rỗng 46%, tỷ trọng: 1450 kg/m3. + Lớp thứ 2 là đá dăm H= 200mm, đường kính trung bình 15÷20mm; độ rỗng 50%; tỷ trọng 1080kg/m3. + Lớp thứ 3 (trên cùng) là sỏi cuội nhỏ H = 50mm;  = 5mm; tỷ trọng 1,26 kg/l; độ rỗng 43,5%. - Cây riềng hoa (Canna lily) được lựa chọn trồng trên mô hình bãi lọc. 1.Ống dẫn nước dòng vào 6. Tấm chắn thu nước 2.Khe chảy tràn dòng vào 7. Ngăn thu nước sau xử lý 3.Lớp sỏi cuội d= 5mm 8. Ống thoát dòng ra 4.Lớp đá dăm, kích thước15-20mm 9. Khe thu nước (H=5mm) 5. Lớp sỏi cuội d=30-40mm Hình 2.5 Sơ đồ bãi lọc trồng cây 2.4 Phương pháp thống kê xử lý số liệu thực nghiệm Để khái quát hóa các kết quả nghiên cứu thực nghiệm, có thể sử dụng các mô hình toán học. Kết quả này được biểu diễn bằng các phương trình hồi quy với phần mềm R phiên bản 2014. 8
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1. Tách nitơ tạo tinh thể MAP (bước 1) 3.1.1 Nghiên cứu quá trình tạo MAP trong môi trường giả định 3.1.1.1 Ảnh hưởng của nồng độ Amoni ban đầu Nghiên cứu được thực hiện với tỷ lệ mol Mg2+:NH4+:PO43- ở các tương tác sau: 1:0,6:1; 1:1:1; 1:1,6:1; 1:1,9:1và 1:2:1. Thí nghiệm được tiến hành ở giải pH từ 7-10,5 với thời gian phản ứng 60 phút và vận tốc khuấy trộn 50 vòng/phút. % MAP 1:1:1 80,00 1:1,6:1 1:1,9:1 70,00 1:2:1 1:0,6:1 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 pH 7 7,5 8 8,5 9 9,5 10 10,5 Hình 3.1 Ảnh hưởng của nồng độ amoni ban đầu tới hiệu quả tách amoni Hiệu quả loại bỏ nitơ tạo MAP phụ thuộc tuyến tính với hàm lượng NH4+ ban đầu, nghĩa là khi tăng nồng độ NH4+ ban đầu hiệu quả tạo MAP tăng ( Hình 3.1). Kết quả này phù hợp với kết quả nghiên cứu của Jiansen Wang và SEPA 2002, Jiansen Wang (2006) và Kristell (2007). 3.1.1.2 Ảnh hưởng của độ pH tới quá trình tạo MAP Các thí nghiệm được tiến hành với tương tác Mg2+:NH4+:PO43- là 1:1,9:1, pH ở vùng: 8,0÷10,5, vận tộc khuấy trộn 50v/phút. Kết quả nghiên cứu cho thấy: sau 180 phút hiệu quả loại PO43- và Mg2+ đạt khá cao ( 96,12 % và 97,12%). Nếu pH duy trì ở pH từ 8-10,5 thì hiệu quả loại NH4+ cũng tăng khi pH tăng, cao nhất ở pH 9,3÷9,5 đạt 70,29%, nhưng hiệu quả tách NH4+ có su hướng giảm khi pH >9,5 (Hình 3.2). Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy, ở tất cả các giá trị pH được khảo sát, đều có một lượng amoni dư, tồn tại trong dung dịch. Lượng amoni dư này có vai trò ổn định pH trong quá trình tạo MAP, đồng thời magiephotphat cũng được hình thành. 9
Hình 3.2 Ảnh hưởng của pH tới quá trình loại NH4+, PO43- và Mg2+ 3.1.1.3 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng tới quá trình tạo MAP Thí nghiệm được tiến hành với các tỷ lệ phản ứng khác nhau ở thời gian lưu 1; 30; 60; 120 và 180 phút và vận tốc khuấy 50v/phút. Trong hầu hết các kết quả thí nghiệm ở các tỷ lệ khác nhau đều cho thấy hiệu quả loại NH4+ tăng và tăng nhiều nhất ở thời gian từ 1-60 phút. Sau 60 phút hiệu quả loại bỏ amoni vẫn còn tăng, tuy nhiên không nhiều (3-5,6%). Vì vậy thời gian phản ứng được lựa chọn là 60 phút. 3.1.1.4 Ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn tới hiệu quả tạo MAP Kết quả nghiên cứu cho thấy: tốc độ khuấy trộn ít ảnh hưởng tới quá trình tạo tinh thể MAP. Ở bình phản ứng tĩnh kết tinh MAP hình thành ít do sự tiếp súc của các phần tử bị hạn chế. Khi cường độ khuấy quá cao (100 vòng/phút) có thể làm gãy tinh thể ảnh hưởng đến tính ổn định và khả năng loại bỏ nitơ. Vậy vận tốc phù hợp cho quá trình tạo MAP là 50v/phút. 3.1.1.5 Thiết lập phương trình hồi quy mô tả mối quan hệ của nồng độ amoni ban đầu, pH, thời gian phản ứng và tốc độ khuấy trộn tới hiệu quả tách Amoni tạo MAP Gọi x1: Nồng độ NH4+ (mg/l) x2: Độ pH x3: Thời gian phản ứng (phút) x4: Tốc độ khuấy trộn (vòng/phút) Y: Hiệu quả tạo MAP (%) Mối quan hệ của 4 yếu tố đến quá trình tạo MAP được mô tả bằng phương trình hồi quy có dạng: Y = -1,562 +1,499x1 + 4,575x2 + 0,044x3 + 0,104x4 + ξ Với 0,6
trên cũng cho thấy ảnh hưởng của pH (x2) là lớn nhất, tiếp đến là nồng độ amoni ban đầu và tốc độ khuấy trộn. Thời gian phản ứng ảnh hưởng ít nhất đến quá trình tách amoni tạo MAP. 3.1.1.6 Ảnh hưởng của pH, thời gian phản ứng và tốc độ khuấy đến kích thước tinh thể MAP trong môi trường giả định Kích thước tinh thể có ý nghĩa quan trọng trong việc thu hồi MAP. Khi kích thước tinh thể quá nhỏ ( 9,5 lượng magie phốt phát được hình thành ảnh hưởng đáng kể tới quá trình tạo MAP, kích thước tinh thể giảm (Hình 3.7). - Ảnh hưởng của thời gian phản ứng tới kích thước tinh thể MAP Bảng 3.3 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng tới kích thước tinh thể MAP Thời gian, % loại bỏ Chiều dài phút NH4 + PO43- Mg 2+ tinh thể, m 1 39,24 62,80 76,43 87÷120 30 50,22 76,50 85,19 300÷350 60 60,47 92,47 91,34 1.600÷2.130 120 64,88 93,7 95,28 2.500÷3.200 180 70,29 95,12 97,12 4.000÷4.600 (b) (a) (a) (a) (c) (d) (a) (a) Hình 3.7 Tinh thể MAP sau (a) 1 phút, (b) 30 phút, (c) 60 phút, (d) 180 phút tương tác 1:1,9:1 Kích thước tinh thể tăng lên rõ rệt theo thời gian phản ứng (Bảng 3.3): chiều dài tinh thể đạt tối đa (4.600m) sau 180 phút (Hình 3.8d). Sau thời gian trên, kích thước tinh thể 11
hầu như không thay đổi. Sau 60 phút kích thước tinh thể đạt 1.600÷ 2.130 m là có thể tách được một cách dễ dàng. Vậy thời gian lưu tối ưu được lựa chọn là 60 phút. - Ảnh hưởng của vận tốc khuấy đến kích thước tinh thể Thí nghiệm được tiến hành với tỷ lệ 1:1,9:1 ở pH =9 với vận tốc khuấy trộn 0; 50; 100 vòng/phút. Ở 100 vòng/phút sau 3 giờ có hiện tượng tinh thể bị gẫy vụn do va đập, kích thước tinh thể < 211m (Hình 3.9.a). Vận tốc 50 vòng/phút là tối ưu cho quá trình tạo tinh thể. (a) (b) Hình 3.8 Kích thước tinh thể ở vận tốc khuấy (a) 100 vòng/phút (D  320m), (b)50 vòng/phút (D  4600m) - Thiết lập phương trình hồi quy về mối quan hệ của pH, vận tốc khuấy và thời gian phản ứng đến kích thước tinh thể MAP. Y = -1730 + 387,5x2 +222,6 x22 + 10,07x3 + 47,49x4 - 48,53x42 + ξ Với 7,0
Hình 3.9 Ảnh SEM của MAP từ chất chuẩn ở tỷ lệ mol Mg2+:NH4+: PO43- =1:1,9:1; thời gian phản ứng 60 phút VNU-HN-SIEMENS D5005- Mau MgNH4PO4.6H2O - M3 7000 6000 d=5.601 5000 Lin (Cps) 4000 d=2.7999 3000 2000 d=4.259 d=2.6879 d=4.137 d=2.9187 d=5.386 d=2.6569 d=2.9577 d=3.291 1000 d=5.911 d=1.7964 d=1.9578 d=2.0514 d=2.0136 d=1.8034 d=2.3464 d=1.5906 d=2.7190 d=1.7386 d=1.7601 d=1.8689 d=2.1291 d=1.3986 d=2.5061 d=1.9801 d=2.5447 d=1.9205 d=2.3915 d=1.7126 d=1.6794 d=2.1774 d=1.8765 d=2.2514 d=1.5117 d=1.4827 d=1.8476 d=1.6560 d=1.6051 d=1.5550 d=1.3602 d=2.2950 d=1.8233 d=1.4582 d=1.4165 d=1.3903 d=1.6424 d=6.134 d=3.020 d=3.470 d=4.589 d=3.071 d=3.555 d=3.188 0 5 10 20 30 40 50 60 70 2-Theta - Scale File: Quynh-DHKTCNTN-MgNH4PO46H2O-M3.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 5.000 ° - End: 70.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 2.0 s - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 02/02/15 13:31:23 15-0762 (*) - Struvite, syn - NH4MgPO4·6H2O - Y: 16.00 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 2+ + 3- Hình 3.10 Phổ XRay của MAP từ chất chuẩn ở tỷ lệ mol Mg : NH4 :PO4 =1:1,9:1; = 9, thời gian phản ứng Kết quả chụp mẫu cho thấy mẫu đo được60làphút, pH vận tốc struvite. 50 vòng/phút Cường độ lớn nhất là kết quả mà tại góc đo đó phần lớn các tinh thể được xác định là struvite. Tinh thể MAP ở môi trường giả định có kích thước lớn và đặc biệt khi chụp MAP các tinh thể có sự đồng đều về kích thước và không có kết tủa Magie phốt phát. 3.1.2 Nghiên cứu tách nitơ trong nước rác bãi chôn lấp Đá Mài 3.1.2.1 Đối tượng nghiên cứu Nước rác tươi bãi chôn lấp Đá Mài (Bảng 2.1). 3.1.2.2 Ảnh hưởng của hàm lượng NH4 + ban đầu Hàm lượng NH4+ trong nước rác có cũng có biến động nhất định. Kết quả khảo sát nước rác bãi chôn lấp Đá Mài trong nhiều tháng cho thấy: hàm lượng NH4+ dao động trong khoảng 214,4÷402,1mg/l. Hiệu quả tách MAP và kích thước tinh thể tăng khi hàm lượng NH4+ tăng. 13
Bảng 3.6 Ảnh hưởng của nồng độ NH4+ đến hiệu quả tách N,P Hiệu suất xử lý (%) NH4+ (mg/l) pH=7 pH=8 pH=8,5 pH=9 pH=11 214,00 16,83 46,15 50,96 53,37 29,81 288,00 18,40 48,96 52,60 54,86 32,64 375,00 20,80 49,07 52,80 54,67 33,87 402,00 21.33 49,55 53,10 54,88 35,45 Kích thước tinh 35,1-70,4 138,4-284,3 305,7-355,2 318,6-413,6 49,3-105,4 thể (µm) 3.1.2.3 Ảnh hưởng của mầm tinh thể Bổ sung vào bình phản ứng 100mg tinh thể có kích thước 30-50µm. Kết quả nghiên cứu (Bảng 3.7). Bảng 3.7 Ảnh hưởng của mầm tinh thể Hiệu quả loại bỏ (%) Thông số Bình phản ứng Bình phản ứng không có mầm có mầm NH4+ (mg/l) 52,34 - 52,71 52,47 - 53,13 Kích thước tinh thể (µm) 322-418 411-575 Trong quá trinh kết tinh MAP, trước tiên mầm tinh thể (các tinh thể có kích thước nhỏ) được hình thành, tiếp theo nhờ quá trình khuấy trộn phản ứng xảy ra, tinh thể lớn dần. Kết quả nghiên cứu cho thấy: kích thước tinh thể MAP thu được lớn hơn rõ rệt ở mẫu có bổ xung mầm (Bảng 3.7). 3.1.2.4 Tách nitơ trong nước rác bằng kết tinh MAP Các điều kiện tối ưu đã được nghiên cứu ở mục trên. Nghiên cứu tách MAP trong nước rác được thực hiện ở pH =9,0; thời gian phản ứng 60 phút; vận tốc khuấy 50 vòng/phút, bổ sung Mg2+; PO43- đạt tỷ lệ Mg2+: NH4+:PO43- là 1:1,9:1. Kết quả nghiên cứu (Bảng 3.8) cho thấy khả năng loại bỏ NH4+ tạo tinh thể MAP đạt được khoảng 52,24% - 53,05%. Lượng MAP thô thu được cao nhất là 2,34 mg/l nước rác. Bảng 3.8 Tách nitơ tạo MAP trong nước rác pH pH=9,0 Thông số NH4+ loại bỏ (%) 52,24 ÷ 53,05 PO43- loại bỏ (%) 95,21÷ 96,01 Mg2+ được loại bỏ (%) 95,46 ÷97,19 COD được loại bỏ (%) 25,70 ÷ 26,21 Kích thước tinh thể (µm) 322÷455,8 14
3.1.2.5 Kết quả phân tích MAP trong nước rác - Đo kích thước bằng trắc vi thị kính, SEM và chụp phổ XRD 2+ + 3- Hình 3.11 Ảnh SEM của MAP từ nước rác ở tỷ lệ mol Mg : NH4 :PO4 =1:1,9:1; thời gian phản ứng 60 phút vận tốc 50 vòng/phút VNU-HN-SIEMENS D5005- Mau MgNH4PO4.6H2O - M4 500 d=8.765 400 d=2.8003 Lin (Cps) 300 d=4.725 d=4.203 200 d=2.9164 d=3.457 d=3.084 d=3.035 d=2.3928 d=5.961 d=2.4927 d=3.640 d=2.7174 d=2.1163 d=5.329 d=2.5774 d=4.497 d=2.3302 d=2.2724 d=1.6165 d=1.6706 d=1.8727 d=2.1911 d=1.8196 100 d=1.4859 d=2.0378 d=1.7826 d=1.8517 d=1.7537 d=1.4011 d=1.7236 d=1.5807 d=1.9290 d=1.6547 d=1.3687 0 5 10 20 30 40 50 60 70 2-Theta - Scale File: Quynh-DHKTCNTN-MgNH4PO46H2O-M4.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 5.000 ° - End: 70.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 3.0 s - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 02/02/15 11:14:16 36-1491 (*) - Ammonium Magnesium Phosphate Hydrate - NH4MgPO4·H2O - Y: 2.40 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 35-0780 (*) - Newberyite, syn - MgHPO4·3H2O - Y: 0.66 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 Hình 3.12 Phổ XRD của MAP thu được từ nước rác Ảnh chụp SEM tinh thể MAP thu được từ nước rác và quan sát qua trắc vi thị kính cho thấy các tinh thể không đồng đều. Khi chụp phổ XRD ngoài tinh thể MAP còn có các thành phần khác như magie phốt phát (cường độ đo được mầu xanh, Hình 3.12). - Hòa tách xác định thành phần MAP Kết quả phân tích MAP trong nước rác được trình bày trong Bảng 3.9 15
Bảng 3.9. Kết quả phân tích thành phần MAP thu được TT Thông số Đơn vị Kết quả TCVN (*) 1 NH4+ - N % 10,75 - 3- 2 PO4 - P % 46,00 - 3 Mg % 26,7 - 4 SS % 8,3 - 5 Fe mg/kg 207,3 10.000 6 Ca mg/kg 62,38 - 7 Zn mg/kg 28,06 15.000 8 Cd mg/kg 0,11 < 25 9 Pb mg/kg 2,58 300 10 Mn mg/kg 119,47 15.000 11 Ni mg/kg 1,94 - 12 Cu mg/kg 12,80 15.000 13 As mg/kg 0,044
3.2.1.1 Ảnh hưởng của COD dòng vào Nghiên cứu được tiến hành với COD dòng vào 7.200; 6.080; 5.135 và 4.268 mg/l, thời gian lưu 48 giờ. Kết quả nghiên cứu (Bảng 3.11) cho thấy: khi COD dòng vào tăng từ 4.268 lên 7.200mg/l hiệu suất xử lý tăng từ 83,25% lên 85,58%. Tải trọng COD tăng từ 2,09 lên 3,60 g/l.ngày. Hệ số tạo biogas tăng từ 0,302÷0,324 lít/gamCODCH. Như vậy, ở các nồng độ đã khảo sát được đều cho hiệu quả xử lý cao (Bảng 3.11). Bảng 3.11 Ảnh hưởng của COD dòng vào đến hiệu quả xử lý CODvào (mg/l) 4.268 5.135 6.080 7.200 STT Thông số 1 CODra (mg/l) 715 826 898 1.050 2 pHra 7,76 7,74 7,8 7,78 Axit bay hơi 3 32,4 35,7 40,1 32,8 (VFA ra) 4 Y.COD (%) 83,25 83,91 85,25 85,58 Tải trọng COD 5 2,09 2,53 3,00 3,60 (g/l.d) Hệ số tạo biogas 6 0,302 0,308 0,312 0,324 (l/gCODCH) 3.2.1.2 Ảnh hưởng của thời gian lưu Nghiên cứu được thực hiện với COD dòng vào cao nhất là 7.200mg/l. Thời gian được khảo sát ở 36, 42, 48 và 54 giờ. Kết quả nghiên cứu cho thấy với thời gian lưu 48 giờ, hiệu quả xử lý COD cao (85,84%); COD dòng ra là 1.022mg/l, pH dòng ra 7,76, tải trọng COD đạt 3,10 gCOD/lít.ngày, hiệu quả tạo biogas đạt 0,32 lít/g CODCH. Khi thời gian lưu lên đến 54 giờ (tăng thêm 6 giờ) hiệu quả xử lý COD tăng không đáng kể (1,04%). Vậy thời gian lưu ở 48 giờ là tối ưu cho quá trình xử lý yếm khí (Bảng 3.12). Bảng 3.12 Ảnh hưởng của thời gian lưu tới hiệu quả xử lý T = 36 (giờ) T = 42 (giờ) T = 48 (giờ) T = 54 (giờ) Dòng Thông số vào Dòng ra Dòng ra Dòng ra Dòng ra Y(%) Y(%) Y(%) Y(%) (mg/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l) pH 8,5 6,65 - 7,15 - 7,76 - 7,82 - BOD5 (mg/l) 3.820 1.044 72,67 666 82,56 461 87,93 402 89,48 COD (mg/l) 7.216 2180 69,79 1.453 79,86 1.022 85,84 947 86,88 TN (mg/l) 239,7 167,3 30,20 147 38,67 147,4 38,51 148,7 37,96 TP (mg/l) 45,2 35,7 21,02 35,4 21,68 31,79 29,67 32,4 28,32 TK (g/l/d) - 2,52 2,88 3,10 3,13 Y biogas - 0,204 0,252 0,320 0,326 (l/gCODCH) 17